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(資料圖)
本視頻2023年5月29日發(fā)布于西瓜視頻，觀看量為12.8萬
請問，航天跟量子之間是什么關(guān)系？
2023年4月24日至5月3日，第八個中國航天日主場活動在安徽省合肥市舉行。以“走向世界的中國航天”為主題的展覽，向公眾展示了長征系列運(yùn)載火箭、探月工程月壤樣本、“祝融號”火星車等中國航天事業(yè)的輝煌成就。然而奇妙的是，在這個主題展覽上居然還有一個量子信息展區(qū)。許多觀眾都很疑惑：量子為什么會出現(xiàn)在航天展？
有趣的答案來了：實際上，我國量子科技的發(fā)展與航天密不可分。無論是前沿的量子信息學(xué)術(shù)研究，還是實用的“天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)”，都離不開航天技術(shù)的支持，同時量子科技也在助力空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用的發(fā)展。
這其中最明顯也最著名的，大概就是“墨子號”衛(wèi)星了，我們就先從這顆衛(wèi)星說起。墨子號是世界上第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，也就是說它是專門發(fā)到天上用來做量子科學(xué)實驗的，以前就有很多國家想做，中國是第一個實現(xiàn)的。這是一個非常驚人的超車，因為做到它的既不是頭號科技強(qiáng)國美國，也不是老牌科技強(qiáng)國如英國、法國、德國、日本，也不是量子領(lǐng)域的先行者如加拿大、奧地利、瑞士，而是量子領(lǐng)域的后起之秀中國。
量子保密通信是1984年由美國科學(xué)家Charles Bennett和加拿大科學(xué)家Gilles Brasard提出的，它最大的好處就是在原理上可以抵抗一切計算破解，然而同時也有一個限制，就是不能傳得太遠(yuǎn)，有一個有限的安全傳輸距離。傳統(tǒng)的問題就是這個安全傳輸距離太短，在二十一世紀(jì)初的時候剛剛達(dá)到10公里。當(dāng)時不少科學(xué)家認(rèn)為這項技術(shù)已經(jīng)到頭了，再也沒法前進(jìn)了。然而當(dāng)時，剛剛回國不久的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉就立下了雄心壯志，希望實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信，構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)。
突破傳統(tǒng)距離限制的方法之一，就是自由空間通信，即不用光纖，在空氣或真空中直接用激光傳輸。2005年，潘建偉團(tuán)隊完成了中國在自由空間量子通信領(lǐng)域的“開山之作”，這個山是合肥的大蜀山，他們在大蜀山進(jìn)行了全球首次長達(dá)13公里的自由空間量子糾纏分發(fā)和量子通信實驗。2010年，他們實現(xiàn)了當(dāng)時最遠(yuǎn)距離的16公里量子隱形傳態(tài)。2012年，他們實現(xiàn)了全球首個百公里自由空間量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)，同時還開展了浮空氣球跟瞄實驗、車載平臺實驗……通過這一系列實驗，對基于衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性進(jìn)行了全方位的驗證。
2016年8月16日1時40分，伴隨著隆隆巨響，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭將墨子號送入太空。這標(biāo)志著我國從量子通信的跟跑者變成了領(lǐng)跑者，在全世界引起巨大轟動。例如《華爾街日報》的報道標(biāo)題是，“沉寂了一千年，中國誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔”。
這里有一個有趣的插曲，就是潘建偉的博士導(dǎo)師、2022年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、前奧地利科學(xué)院院長Anton Zeilinger。他原本想推動奧地利第一個發(fā)射量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，但中國團(tuán)隊的進(jìn)展更快，中國政府的支持力度更大，最后他也成為了中國團(tuán)隊的合作者。在2022年諾貝爾獎頒獎現(xiàn)場，他就展示了墨子號的照片，介紹了相關(guān)成果。
人們經(jīng)常會問，墨子號是干什么的？如果只用一句話來回答，那么就是實現(xiàn)星地之間的量子通信。如果詳細(xì)一點，那么回答是墨子號有三大科學(xué)任務(wù)——星地量子密鑰分發(fā)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)。第一個，星地量子密鑰分發(fā)，指的是在衛(wèi)星和地面站之間實現(xiàn)量子保密通信。第二個，星地量子糾纏分發(fā)，指的是衛(wèi)星產(chǎn)生一對糾纏的光子對，把它們發(fā)送到地上兩個不同的地面站，然后地面站還能證實這些光子對確實是處于糾纏的。第三個，地星量子隱形傳態(tài)，指的是利用量子糾纏，把地面一個光子的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星上的一個光子上。在上天一年之內(nèi)，墨子號就圓滿完成了這三大科學(xué)任務(wù)，實現(xiàn)了量子科技研究的巨大跨越。
在此之后，墨子號原本可以光榮退役了。實際上，它的設(shè)計服役期只到2019年1月。然而有趣的是，墨子號上面各個儀器的狀態(tài)保持得非常好，結(jié)果它一直超期服役到現(xiàn)在，我們一直在用它做實驗，這就是純粹的“賺到了”。在這段超期服役的時間內(nèi)，墨子號又實現(xiàn)了實驗檢驗廣義相對論與量子力學(xué)融合的理論、千公里級基于糾纏的無中繼量子密鑰分發(fā)、1200公里地表量子態(tài)傳輸新世界紀(jì)錄等一系列新成果。
這其中最特別的就是檢驗廣義相對論與量子力學(xué)融合的理論，因為你看，它壓根不是個常規(guī)的量子信息研究嘛！它是整個物理學(xué)最基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)的基礎(chǔ)研究。
來介紹一下背景：廣義相對論與量子力學(xué)都是當(dāng)今物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，但它們倆目前還沒有統(tǒng)一。這顯然不是個正常的狀況，因為如果你仔細(xì)想想，你就會想到，基礎(chǔ)理論怎么會有兩個呢？如果是真正基礎(chǔ)的理論，應(yīng)該只有一個才對。所以許多科學(xué)家在努力把廣義相對論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來，這是整個科學(xué)界最重要的前沿之一。
近年來，澳大利亞科學(xué)院院士Timothy Ralph等人提出一種理論模型，叫做“事件形式”。按照這種理論的預(yù)測，糾纏在引力場中會衰減。這就意味著地球表面和太空中的糾纏程度會不一樣，因為地面的引力場比在太空中強(qiáng)。那么這是不是真的呢？墨子號剛好能檢測這個，因為它可以實現(xiàn)星地之間的糾纏分發(fā)。于是中國科學(xué)家做了這個實驗，結(jié)果是沒有發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，所以證偽了這個“事件形式”理論。
實際上，比這個具體結(jié)果更重要的是一個大圖景。統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)的理論嘗試早就有很多種，但最大的問題是空對空，以前都無法實驗檢測。而這是人類第一次用實驗來判斷這樣的理論，這才是真正重要的。假如發(fā)現(xiàn)了新的物理現(xiàn)象，就意味著我們對量子力學(xué)和引力理論的理解需要做出重大修正，這將成為真正的科學(xué)革命，意義無比重大。這個例子說明，墨子號的作用是包括而不限于量子通信，它還成為了全人類基礎(chǔ)研究的一個重要基礎(chǔ)設(shè)施。
下一步是什么呢？一顆量子衛(wèi)星能成功，下一步就是建設(shè)量子衛(wèi)星群。我國計劃在5至10年內(nèi)發(fā)射3至5顆低軌量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，和中高軌量子科學(xué)實驗衛(wèi)星一起，用“量子星座”覆蓋整個地球。墨子號常務(wù)副總師王建宇院士表示：“‘墨子號’只是一個起點，從實用的角度來說，必須要構(gòu)建由高、中、低軌道衛(wèi)星組成的‘量子星座’，建立覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。目前，我們至少領(lǐng)先國際水平5年。如果中高軌的萬公里量子通信衛(wèi)星順利發(fā)射，我們將至少領(lǐng)先10年?！?/p>
建設(shè)星座就需要把衛(wèi)星小型化，降低成本。2022年7月27日，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用“力箭一號”運(yùn)載火箭發(fā)射了世界首顆量子微納衛(wèi)星“濟(jì)南一號”。衛(wèi)星項目負(fù)責(zé)人之一、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授廖勝凱介紹，濟(jì)南一號的量子密鑰分發(fā)載荷只有24公斤，整星也只有96公斤，僅是墨子號的六分之一，尺寸、功耗大大減小，研發(fā)成本和發(fā)射成本遠(yuǎn)低于墨子號。
這聽起來是不是很像中國人熟悉的模式？先是突破門檻，然后就是上規(guī)模、降成本，最后主導(dǎo)了這個行業(yè)。人們經(jīng)常把這稱為從1到N，這是中國最熟悉的節(jié)奏。但跟一般不同的是，這個領(lǐng)域的從0到1也是中國實現(xiàn)的。
另一個層面的進(jìn)步是，衛(wèi)星與地面對話也變得更加方便?？拼髧芰孔蛹夹g(shù)股份有限公司副總裁唐世彪博士介紹，由國盾量子研發(fā)生產(chǎn)的小型化量子衛(wèi)星地面站跟墨子號升空時相比，不僅成碼能力提升，重量也由13噸降至不到100公斤，可以在遠(yuǎn)洋海島、駐外機(jī)構(gòu)等場景快捷部署。這里最有趣的就是駐外機(jī)構(gòu)這個詞，大家可以想想這是為什么：因為他們對保密的需求是最高的，而布置設(shè)備的條件是非常有限的，所以小型化的量子保密通信設(shè)備對他們極其重要。
前面說的都是航天技術(shù)對量子信息的幫助，反過來，量子信息對航天以及其他領(lǐng)域也能提供很多幫助，可以把這稱為從N到N+。例如大家每天用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其中的核心技術(shù)就是原子鐘，它是目前最精密的時間測量設(shè)備，這就是一種量子精密測量技術(shù)。
在基礎(chǔ)研究方面，除了剛才講的檢驗相對論與量子力學(xué)的融合之外，將來我們可以基于量子衛(wèi)星平臺，探索基于光鐘的引力波探測，以及嘗試探測暗物質(zhì)對基本常數(shù)的影響，以及檢驗國際基本計量單位傳遞能力，還可以開展量子糾纏、量子非定域性和量子引力等方面的研究。這方面深奧起來，真是沒有邊的，這是中國對人類基礎(chǔ)研究做出重大貢獻(xiàn)的好機(jī)會。
在實際應(yīng)用方面，中國也走在世界最前列。2017年9月29日，中國建成了世界第一條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”，在2000公里的距離上實現(xiàn)了量子保密通信。京滬干線還和墨子號成功對接，時任中國科學(xué)院院長白春禮和奧地利科學(xué)院院長Anton Zeilinger通過墨子號實現(xiàn)了世界第一次洲際量子保密通信。目前，我國已建成國家廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)一期，地面光纖量子網(wǎng)總長超過了一萬公里。在安徽合肥，由中國電信攜手國盾量子、中電信量子建成的規(guī)模最大、覆蓋最廣、應(yīng)用最多的量子保密通信城域網(wǎng)——合肥量子城域網(wǎng)已投入使用。加上兩顆閃耀在天際的量子星，中國科學(xué)家的夢想正一步步變?yōu)楝F(xiàn)實。
未來，我國將在地面繼續(xù)構(gòu)建多縱多橫的光纖量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，在天上完善量子星座，兩者結(jié)合起來構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。這不僅將推動量子通信技術(shù)在政務(wù)、金融、能源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無縫銜接，還將為具有國際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
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